第08讲 空气的组成-暑期初二升初三化学衔接自学课讲义（人教版）

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第08讲 空气的组成
【学习目标】
1.了解空气的主要成分，初步认识空气是由多种气体组成的混合物
2.通过利用化学实验测定空气中氧气含量，形成测定混合气体中某一气体含量的一般思路和方法
3.理解气体量的改变引起气压改变，建立化不可见为可见的科学思维
【基础知识】
1.回顾拉瓦锡测定空气组成的实验
（1）氧气的发现历程
17世纪中叶以前，人们认为空气只是单一的某种物质，到了18世纪，科学家通过对燃烧和呼吸的研究，才开始认识到空气成分的复杂性。英国化学家丹尼尔·卢瑟福（1749—1819）发现空气中存在氮气；瑞典化学家舍勒（1742—1786）和英国化学家普利斯特里（1733—1804） 发现空气中存在氧气，并制得氧气。由于他们受传统的燃素说所束缚，并没有定量的测出空气中氮气和氧气的含量。法国化学家拉瓦锡（1743—1794）摆脱了传统的燃素说的束缚，用定量实验测定了空气的组成，揭示了燃烧是物质与空气里的氧气发生了反应，即提出燃烧的氧化学说，使近代化学取得了革命性的胜利。
思考：上述实验现象说明了什么？
拉瓦锡做了三点推测：①汞只与空气中的部分气体反应（证据部分银白色汞变红）②汞与气体反应变成固体，使得密闭装置内气体减少，气压变小，从而钟罩内汞液面上升，由于汞槽内上升的汞的体积占密闭装置内空气体积的五分之一，所以空气中气体减少的体积为原来空气体积的五分之一。变成红色粉末的汞只有一部分，很可能是能与汞反应的气体已经被反应完了。
根据以上三点拉瓦锡猜测空气中大约有五分之一是氧气，为了验证这一猜想，他把红色粉末收集起来放在另一个小容器里进行加热，得到了银白色的汞和气体，气体的体积刚好等于密闭容器中减少气体的体积；把得到的气体放入前一个剩有五分之四体积的气体的容器中，所得气体的性质与空气的性质完全相同。
进一步实验研究发现氧化汞分解产生的气体能供给呼吸和支持燃烧；研究剩余的五分之四的气体的性质发现既不供给呼吸也不支持燃烧。
结论：空气由氮气和氧气组成，其中氧气约占空气总体积1/5。
（2）拉瓦锡实验的原理：
①汞在加热条件下只和空气中的氧气反应而不与其他气体反应；
②生成的氧化汞是固体，使密闭装置内的气体减少压强减小；
③通过测定进入装置的液体的体积，推测减少气体的体积。
（3）测定混合气体中某种成分的含量
2.实验室测定空气中氧气的含量
（1）拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验的不足：拉瓦锡严肃认真地反复实验进行了实验发现了奥秘，但实验时间较长，实验操作及实验装置比较复杂，且实验过程对环境有污染。
（2）改进：选择可燃物燃烧快速消耗氧气使瓶内气压减少，水倒吸。
可燃物应满足以下条件
反应物角度： 只与空气中的氧气反应
生成物角度：生成物不能是气体，最好是固体
（3）利用红磷燃烧测定空气中氧气含量
①原理：
②装置：
③实验现象
红磷燃烧，发出黄光，产生大量的白烟，并放出大量的热；

冷却到室温后，打开止水夹，水沿导管进入集气瓶，进入集气瓶中水的体积约占集气瓶内空气体积的1/5。

④实验分析：足量的红磷在封闭的容器内充分燃烧，消耗了空气中的氧气，生成五氧化二磷固体，使容器内压强减小，在外界大气压的作用下水进入容器。集气瓶中水只上升约1/5，说明氧气略占空气总体积的1/5，同时也说明说明剩余的气体不能燃烧也不支持燃烧，且不溶于水，进一步说明了氧气略占空气总体积的1/5
⑤实验误差分析：
结果小于1/5的可能原因：红磷不足；试验结束后，没有冷却到室温就打开止水夹；装置漏气
结果大于1/5的可能原因：止水夹未夹紧；塞胶塞时过慢
3.空气的组成（按体积分数）
在19世纪末，英国的物理学家——瑞利在测量空气中各种气体的密度时，他先将空气中的氧气用燃烧的方法除去，测量剩余气体的密度后，发现每升质量为1.2572克，当时认为这就是氮气的密度。后来，他用别的方法提取纯氮气，结果发现每升质量为1.2508克，两次的结果相差0.0064克，他没放过这一点点差错，紧接看又做了几次实验，但每次的结果都相差0.006克左右。后来，瑞利又用卡文迪许的方法收集了0.5毫升的未知气体，对所得的气体进行了光谱分析，光谱中出现了已知气体不具有的新谱线，他将这种气体命名为“Argn”，也就是氩气(Ar)。
通过实验测定，空气的成分按体积计算，大约是：氮气78%、氧气21%、稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质0.03%。
4.物质的分类
混合物：像空气这样由两种或两种以上的物质混合而成的物质叫做混合物
混合物没有固定的化学符号;组成混合物的各种成分保持着它们各自的性质。
纯净物：像氮气、氧气、二氧化碳等分别只由一种物质组成，它们都是纯净物
纯净物可以用化学符号来表示
【考点剖析】
考点一：空气组成的发现
例1.实验是科学探究的重要方法，如图是测定空气成分的相关实验装置，下列有关说法正确的是（ ）
A.该实验开始前应先检查装置气密性 B.实验中银白色的固体汞变为红色粉末
C.实验过程中汞只消耗曲颈甑内的氧气 D.实验结束后，玻璃钟罩内液面低于汞槽中液面
【答案】A
【解析】A.该实验是探究空气中氧气的含量，所以该实验在密闭体系中进行，因此实验前要检查装置的气密性，故A正确；
B.汞在常温下为液体，汞和氧气生成固体氧化汞，氧化汞是红色的固体，所以实验过程中观察到部分银白色的液体汞变为红色，故B错误；
C.汞消耗了密闭体系内的氧气，而不是只有曲颈甑内的氧气，故C错误；
D.实验结束后，由于密闭容器内氧气被消耗，压强变小，因此玻璃钟罩内液面应该高于汞槽中的液面，故D错误；故选：A。
考点二：实验室测定空气中氧气的含量
例2. 用如图装置可验证空气中O2的含量。下列说法不正确的是（ ）

A.实验前需检查装置气密性 B.红磷燃烧产生大量白烟
C.红磷熄灭后应立即打开止水夹 D.集气瓶中水面最终上升至2处
【答案】C
【解析】A.实验前需要检查装置的气密性，防止装置漏气，导致测定结果偏小，不符合题意；
B.红磷燃烧，产生大量白烟，放出热量，不符合题意；
C.红磷熄灭后，应等冷却至室温后，打开止水夹，否则气体受热膨胀，占据了一定的体积，会导致测定结果偏小，符合题意；
D.红磷燃烧，消耗氧气，待完全反应后，逐渐冷却至室温，由于消耗了氧气，装置内压强减小，故打开止水夹，烧杯中的水进入集气瓶，进入水的体积就是消耗氧气的体积，氧气约占空气体积的，故集气瓶中水面最终上升至2处，不符合题意。
故选C。
考点三：空气的组成
例3.如图表示空气中各成分含量，下列有关说法正确的是（ ）

A.纵坐标表示质量分数 B.X 表示的物质为氧气
C.稀有气体属于纯净物 D.Y 能支持燃烧等
【答案】D
【解析】A.空气中各成分含量按体积分数分，而不是质量分数，该选项说法不正确；
B.空气中氮气约占空气体积的78%，氧气约占21%，则X表示氮气，该选项说法不正确；
C.稀有气体中含有多种物质，为混合物，该选项说法不正确；
D.氧气能支持燃烧，该选项说法正确。
故选D。
考点四：物质的分类
例4.下列各组物质中，属于纯净物的是（ ）
A.碘酒B.瓶装矿泉水C.冰水混合物D.洁净的空气
【答案】C
【解析】A.碘酒是由碘和酒精混合而成，属于混合物，不符合题意；
B.瓶装矿泉水由水、可溶性矿物质等混合而成，属于混合物，不符合题意；
C.冰是固态的水，冰水混合物由水一种物质组成，属于纯净物，符合题意；
D.洁净的空气是由氮气、氧气等混合而成，属于混合物，不符合题意。
故选C。
【过关检测】
1.最早通过实验得出空气是由氮气和氧气组成这一结论的科学家是（ ）
A.英国的道尔顿
B.法国的拉瓦锡
C.俄国化学家门捷列夫
D.意大利的阿伏加德罗
【答案】B
【解析】A.道尔顿提出了原子论，不符合题意；
B.拉瓦锡用定量的方法测定了空气的成分，得出空气是由氮气和氧气组成的结论，符合题意；
C.门捷列夫发现了元素周期律并编制出元素周期表，不符合题意；
D.阿伏加德罗提出了分子学说，不符合题意。
故选B。
2.用如图装置测定空气中氧气含量，有关说法错误的是（ ）

A.取用的红磷必须足量
B.引燃红磷后，左管内液面先下降后上升，冷却后升至刻度1
C.该装置环保，所得结果更准确
D.该装置还能测得稀有气体的体积分数
【答案】D
【解析】A.取用的红磷必须足量，才能将装置内氧气耗尽，否则会导致实验结果偏小，不符合题意；
B.引燃红磷后，红磷燃烧，放出大量的热，装置内气体受热膨胀，压强增大，左管内液面下降，待完全反应后，逐渐冷却至室温，由于消耗了氧气，装置内压强减小，故左管内液面上升，氧气约占空气体积的，故冷却后升至刻度1，不符合题意；
C.该装置在密闭容器中进行，反应生成的五氧化二磷不会逸出，比较环保，且避免了盛有点燃红磷的燃烧匙伸入集气瓶中时，气体的受热膨胀逸出，误差小，不符合题意；
D.该装置是通过红磷燃烧消耗氧气，测定空气中氧气的含量，无法测得稀有气体的体积分数，符合题意。
故选D。
3.用如图装置证明空气中氧气的含量。下列说法正确的是（ ）

A.实验前需要检查装置的气密性B.红磷燃烧的现象是产生大量的烟雾
C.实验后集气瓶内水面上升至刻度2附近D.用木炭代替红磷可以得到相同的结论
【答案】A
【解析】A.实验前需要检查装置的气密性，以防止装置漏气影响实验结果，正确；
B.红磷燃烧的现象是产生大量的白烟，不产生烟雾，错误；
C.氧气约占空气总体积的五分之一，进入集气瓶水体积等于氧气的体积，实验后集气瓶内水面上升至刻度1附近，错误；
D.木炭在空气中燃烧生成二氧化碳，虽消耗了氧气，但生成了二氧化碳气体，集气瓶内的气压不降低，水不能倒流，用木炭代替红磷不可以得到相同的结论，错误。
故选A。
4.下图装置常用来测定空气中氧气的含量。下列对该实验的认识中正确的是（ ）
A.红磷燃烧产生大量白雾
B.燃烧匙中的红磷可以换成木炭
C.该实验可说明N2难溶于水
D.红磷的量不足会导致进入集气瓶中水的体积大于1/5
【答案】C
【解析】A.红磷燃烧产生大量白烟、不是白雾、故A选项错误、不符合题意；
B.木炭燃烧生成的是二氧化碳气体、无法使集气瓶内压强变小、故不可以把红磷换成木炭、B选项错误、不符合题意；
C.如果氮气溶于水、则集气瓶内会装满水、故通过集气瓶中水未装满可以得出、氮气难溶于水、故C选项正确、符合题意；
D.红磷的量不足会导致消耗的氧气偏低、故进入集气瓶中水的体积小于五分之一、故D选项说法错误、不符合题意。故选：C。
5.空气成分中，可以供给呼吸的气体约占空气总体积的（ ）
A.21%B.78%%%
【答案】A
【解析】空气成分按体积分数计算是：氮气约占78%，氧气约占20.9%，稀有气体约占0.94%，二氧化碳约占0.03%，还有其他气体和杂质约占0.03%。其中氧气能供给呼吸，约占空气总体积的21%。
故选A。
6.自行车轮胎里的气体是压缩空气。压缩空气中含量最多的气体是（ ）
A.氧气B.氮气C.二氧化碳D.稀有气体
【答案】B
【解析】压缩空气也是空气，空气中含量最多的气体是氮气，约占空气体积的78%。
故选B。
7.下列物质中，前者属于纯净物，后者属于混合物的是（ ）
A.二氧化碳、液氮B.洁净的空气、矿泉水
C.红磷、牛奶D.稀有气体、冰水共存物
【答案】C
【解析】A.二氧化碳、液氮都是由一种物质组成，都属于纯净物，故A错误；
B.洁净的空气由氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳等多种物质组成，属于混合物，矿泉水由水和可溶性矿物质组成，属于混合物，故B错误；
C.红磷由一种物质组成，属于纯净物，牛奶由蛋白质、脂肪、乳糖、矿物质、维生素及水等多种物质组成，属于混合物，前者属于纯净物，后者属于混合物，故C正确；
D.稀有气体是指元素周期表上所有0族元素对应的气体单质，稀有气体共有七种，包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气，属于混合物，冰水共存物由一种物质组成，属于纯净物，故D错误。
故选：C。
8.如图为空气成分示意图(按体积分数计算)，下列说法正确的是（ ）
A.空气的成分是相对稳定的，主要由a和b组成
B.b为纯净物
C.a氮气
D.a和c的体积比约为5：1
【答案】C
【解析】A.空气中的成分是相对稳定的，主要由a氮气（占空气体积78%）和c氧气（占空气体积21%）组成，错误；
B.b占空气体积的1%，主要为稀有气体、二氧化碳、水蒸气等，是混合物，错误；
C.a占比最大，是氮气，正确；
D.a氮气和c氧气的体积比约为4:1，错误；
故选C。
9.某兴趣小组按图所示装置，用红磷燃烧的方法测定空气中氧气的体积分数。
(1)实验中，红磷燃烧的文字表达式为___________，实验结束后，集气瓶内的气体主要性质为___________。
(2)红磷熄灭后，集气瓶冷却至室温，打开水夹K，水能倒吸入集气瓶的原因是___________；且倒吸入水的体积约占集气瓶体积的___________，不用木炭代替红磷的原因是___________。
【答案】(1) 红磷+氧气五氧化二磷 不燃烧也不支持燃烧
(2) 红磷燃烧消耗氧气，导致集气瓶中气压减小 五分之一/ 木炭燃烧生成二氧化碳气体，不能造成压强差
【解析】（1）磷在空气中燃烧，生成五氧化二磷，文字表达式为：红磷+氧气五氧化二磷，实验结束后，红磷不再燃烧，说明剩余气体主要性质为不燃烧也不支持燃烧。
（2）红磷熄灭后，集气瓶冷却至室温，打开K，水能倒吸入集气瓶的原因是：红磷燃烧消耗氧气，导致集气瓶中气压减小。红磷燃烧产生大量白烟，燃烧消耗氧气，氧气体积约占空气体积的五分之一，故进入的水的体积约为集气瓶体积的五分之一。因为木炭燃烧生成二氧化碳气体，瓶内压强基本不变，所以不能用木炭来代替红磷。